Kako nastaja energija, kako se pretvarja iz ene oblike v drugo in kaj se zgodi z energijo v zaprtem sistemu? Na vsa ta vprašanja je mogoče odgovoriti z zakoni termodinamike. O drugem zakonu termodinamike bomo danes podrobneje razpravljali.
Zakoni v vsakdanjem življenju
Zakoni urejajo vsakdanje življenje. Cestni zakoni pravijo, da se morate ustaviti pri stop znakih. Vlada zahteva, da del svoje plače dajo državi in zvezni vladi. Tudi znanstvene so uporabne v vsakdanjem življenju. Zakon gravitacije na primer napoveduje precej slab izid za tiste, ki poskušajo leteti. Drug niz znanstvenih zakonov, ki vplivajo na vsakdanje življenje, so zakoni termodinamike. Tukaj je nekaj primerov, da vidite, kako vplivajo na vsakdanje življenje.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike pravi, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, ampak jo je mogoče preoblikovati iz ene oblike v drugo. To se včasih imenuje tudi zakon o ohranjanju energije. Torej, kako jevelja za vsakdanje življenje? No, vzemite na primer računalnik, ki ga trenutno uporabljate. Hrani se z energijo, a od kod ta energija? Prvi zakon termodinamike nam pravi, da ta energija ni mogla priti iz zraka, zato je prišla od nekod.
To energijo lahko izsledite. Računalnik poganja elektrika, a od kod prihaja elektrika? Tako je, iz elektrarne ali hidroelektrarne. Če upoštevamo drugo, bo to povezano z jezom, ki zadržuje reko. Reka ima povezavo s kinetično energijo, kar pomeni, da reka teče. Jez to kinetično energijo pretvori v potencialno energijo.
Kako deluje hidroelektrarna? Za vrtenje turbine se uporablja voda. Ko se turbina vrti, se sproži generator, ki bo ustvaril elektriko. To elektriko je mogoče v celoti napeljati po žicah od elektrarne do vašega doma, tako da, ko napajalni kabel priključite v električno vtičnico, elektrika vstopi v vaš računalnik, tako da lahko deluje.
Kaj se je zgodilo tukaj? Že obstajala je določena količina energije, ki je bila povezana z vodo v reki kot kinetična energija. Nato se je spremenila v potencialno energijo. Jez je nato vzel to potencialno energijo in jo spremenil v elektriko, ki bi lahko vstopila v vaš dom in napajala vaš računalnik.
Drugi zakon termodinamike
S preučevanjem tega zakona lahko razumemo, kako energija deluje in zakaj se vse premika protimožen kaos in nered. Drugi zakon termodinamike se imenuje tudi zakon entropije. Ste se kdaj vprašali, kako je nastalo vesolje? Po teoriji velikega poka se je, preden se je vse rodilo, zbrala ogromna količina energije. Vesolje se je pojavilo po velikem poku. Vse to je dobro, a kakšna energija je bila to? Na začetku časa je bila vsa energija v vesolju vsebovana na enem relativno majhnem mestu. Ta intenzivna koncentracija je predstavljala ogromno količino tako imenovane potencialne energije. Sčasoma se je razširil po velikem prostranstvu našega vesolja.
V veliko manjšem obsegu rezervoar vode, ki ga zadržuje jez, vsebuje potencialno energijo, saj njegova lokacija omogoča, da teče skozi jez. V vsakem primeru se shranjena energija, ko se sprosti, razširi in to stori brez kakršnega koli truda. Z drugimi besedami, sproščanje potencialne energije je spontan proces, ki se pojavi brez potrebe po dodatnih virih. Ko se energija razporedi, se jo nekaj pretvori v koristno energijo in opravi nekaj dela. Ostalo se pretvori v neuporabno, preprosto imenovano toplota.
Ko se vesolje širi, vsebuje vse manj uporabne energije. Če je na voljo manj uporabnega, je mogoče opraviti manj dela. Ker voda teče skozi jez, vsebuje tudi manj uporabne energije. To zmanjšanje uporabne energije skozi čas se imenuje entropija, kjer je entropijakoličina neporabljene energije v sistemu, sistem pa je le zbirka predmetov, ki sestavljajo celoto.
Entropijo lahko imenujemo tudi količina naključnosti ali kaosa v organizaciji brez organizacije. Ker se uporabna energija sčasoma zmanjšuje, se neorganiziranost in kaos povečujeta. Tako se, ko se akumulirana potencialna energija sprosti, se vse to ne pretvori v koristno energijo. Vsi sistemi sčasoma doživljajo to povečanje entropije. To je zelo pomembno razumeti in ta pojav se imenuje drugi zakon termodinamike.
Entropija: priložnost ali napaka
Kot ste morda uganili, drugi zakon sledi prvemu, ki se običajno imenuje zakon o ohranjanju energije, in pravi, da energije ni mogoče ustvariti in je ni mogoče uničiti. Z drugimi besedami, količina energije v vesolju ali katerem koli sistemu je konstantna. Drugi zakon termodinamike se običajno imenuje zakon entropije in pravi, da s časom energija postane manj uporabna in njena kakovost sčasoma pada. Entropija je stopnja naključnosti ali napak, ki jih ima sistem. Če je sistem zelo neurejen, ima veliko entropijo. Če je v sistemu veliko napak, je entropija nizka.
Preprosto povedano, drugi zakon termodinamike pravi, da se entropija sistema sčasoma ne more zmanjšati. To pomeni, da v naravi stvari prehajajo iz stanja reda v stanje nereda. In to je nepovratno. Sistem nikolibo sam po sebi postal bolj urejen. Z drugimi besedami, v naravi se entropija sistema vedno povečuje. Eden od načinov razmišljanja o tem je vaš dom. Če ga nikoli ne očistite in posesate, boste kmalu imeli grozno zmešnjavo. Entropija se je povečala! Da bi ga zmanjšali, je treba porabiti energijo za uporabo sesalnika in krpe za čiščenje površine prahu. Hiša se ne bo očistila sama.
Kaj je drugi zakon termodinamike? Formulacija s preprostimi besedami pravi, da ko energija prehaja iz ene oblike v drugo, se snov bodisi prosto giblje ali pa se entropija (motnja) v zaprtem sistemu poveča. Razlike v temperaturi, tlaku in gostoti se sčasoma vodoravno izravnajo. Zaradi gravitacije se gostota in tlak ne izenačita navpično. Gostota in tlak na dnu bosta večja kot na vrhu. Entropija je merilo širjenja snovi in energije, kjerkoli imata dostop. Najpogostejša formulacija drugega zakona termodinamike je povezana predvsem z Rudolfom Clausiusom, ki je rekel:
Nemogoče je zgraditi napravo, ki ne bi imela drugega učinka kot prenos toplote iz telesa z nižjo temperaturo na telo z višjo temperaturo.
Z drugimi besedami, vse poskuša skozi čas vzdrževati enako temperaturo. Obstaja veliko formulacij drugega zakona termodinamike, ki uporabljajo različne izraze, vendar vsi pomenijo isto stvar. Še ena Clausiusova izjava:
Toplota sama po sebi niprehajanje iz mrzlega v bolj vroče telo.
Drugi zakon velja samo za velike sisteme. Nanaša se na verjetno obnašanje sistema, v katerem ni energije ali snovi. Večji kot je sistem, večja je verjetnost, da je drugi zakon.
Drugo besedilo zakona:
Skupna entropija se vedno poveča v spontanem procesu.
Povečanje entropije ΔS med procesom mora presegati ali biti enako razmerju med količino toplote Q, ki se prenese v sistem, in temperaturo T, pri kateri se toplota prenaša. Formula drugega zakona termodinamike:
Termodinamični sistem
V splošnem smislu formulacija drugega zakona termodinamike preprosto navaja, da se temperaturne razlike med sistemi, ki so v stiku med seboj, izenačijo in da je delo mogoče pridobiti iz teh neravnovesnih razlik. Toda v tem primeru pride do izgube toplotne energije in entropija se poveča. Razlike v tlaku, gostoti in temperaturi v izoliranem sistemu se ponavadi izenačijo, če se da priložnost; gostota in tlak, ne pa temperatura, sta odvisna od gravitacije. Toplotni stroj je mehanska naprava, ki zagotavlja koristno delo zaradi razlike v temperaturi med dvema telesoma.
Termodinamični sistem je tisti, ki sodeluje in izmenjuje energijo z območjem okoli sebe. Zamenjava in prenos morata potekati na vsaj dva načina. Eden od načinov bi moral biti prenos toplote. Četermodinamični sistem "je v ravnotežju", ne more spremeniti svojega stanja ali statusa brez interakcije z okoljem. Preprosto povedano, če si v ravnovesju, si »srečen sistem«, nič ne moreš narediti. Če želite nekaj narediti, morate komunicirati z zunanjim svetom.
Drugi zakon termodinamike: ireverzibilnost procesov
Nemogoče je imeti ciklični (ponavljajoči se) proces, ki popolnoma pretvori toploto v delo. Prav tako je nemogoče imeti proces, ki prenaša toploto iz hladnih predmetov na tople predmete brez uporabe dela. Nekaj energije v reakciji se vedno izgubi zaradi toplote. Prav tako sistem ne more pretvoriti vse svoje energije v delovno energijo. Drugi del zakona je bolj očiten.
Hladno telo ne more ogreti toplega telesa. Toplota naravno teče iz toplejših v hladnejša območja. Če gre toplota od hladnejšega do toplejšega, je v nasprotju s tem, kar je "naravno", zato mora sistem opraviti nekaj dela, da se to zgodi. Nepovratnost procesov v naravi je drugi zakon termodinamike. To je morda najbolj znan (vsaj med znanstveniki) in pomemben zakon vse znanosti. Ena od njegovih formulacij:
Entropija vesolja teži k maksimumu.
Z drugimi besedami, entropija ostane enaka ali pa se poveča, entropija vesolja se ne more nikoli zmanjšati. Težava je v tem, da je vednoprav. Če vzamete steklenico parfuma in jo poškropite po prostoru, potem bodo dišeči atomi kmalu zapolnili ves prostor in ta proces je nepovraten.
Odnosi v termodinamiki
Zakoni termodinamike opisujejo razmerje med toplotno energijo ali toploto in drugimi oblikami energije ter kako energija vpliva na snov. Prvi zakon termodinamike pravi, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti; skupna količina energije v vesolju ostane nespremenjena. Drugi zakon termodinamike govori o kakovosti energije. Navaja, da se s prenosom ali pretvarjanjem energije izgubi vedno več uporabne energije. Drugi zakon tudi pravi, da obstaja naravna težnja, da vsak izoliran sistem postane bolj neurejen.
Tudi ko se vrstni red na določenem mestu poveča, ko upoštevate celoten sistem, vključno z okoljem, vedno pride do povečanja entropije. V drugem primeru se lahko kristali tvorijo iz raztopine soli, ko voda izhlapi. Kristali so bolj urejeni kot molekule soli v raztopini; vendar je izhlapena voda veliko bolj neurejena kot tekoča voda. Celoten proces povzroči neto povečanje motenj.
Delo in energija
Drugi zakon pojasnjuje, da je nemogoče pretvoriti toplotno energijo v mehansko s 100-odstotno učinkovitostjo. Primer je mogoče navesti zz avtom. Po postopku segrevanja plina, da se poveča njegov tlak za pogon bata, v plinu vedno ostane nekaj toplote, ki je ni mogoče uporabiti za dodatno delo. To odpadno toploto je treba zavreči s prenosom na radiator. V primeru avtomobilskega motorja se to naredi tako, da se mešanica izrabljenega goriva in zraka izvleče v ozračje.
Poleg tega vsaka naprava s gibljivimi deli ustvarja trenje, ki pretvarja mehansko energijo v toploto, ki je običajno neuporabna in jo je treba odstraniti iz sistema s prenosom na radiator. Ko sta vroče telo in hladno telo v stiku drug z drugim, bo toplotna energija tekla od vročega telesa do hladnega telesa, dokler ne dosežeta toplotnega ravnovesja. Vendar se toplota nikoli ne bo vrnila v drugo smer; temperaturna razlika med telesoma se nikoli ne bo spontano povečala. Prenos toplote iz hladnega telesa v vroče zahteva delo, ki ga opravi zunanji vir energije, kot je toplotna črpalka.
Usoda vesolja
Drugi zakon prav tako napoveduje konec vesolja. To je najvišja stopnja nereda, če je povsod konstantno toplotno ravnotežje, ni mogoče opraviti nobenega dela in bo vsa energija končala kot naključno gibanje atomov in molekul. Po sodobnih podatkih je Metagalaksija širi nestacionarni sistem in o toplotni smrti vesolja ne more biti govora. toplotna smrtje stanje toplotnega ravnotežja, pri katerem se vsi procesi ustavijo.
Ta stališče je napačno, saj drugi zakon termodinamike velja samo za zaprte sisteme. In vesolje, kot veste, je neomejeno. Vendar se sam izraz "toplotna smrt vesolja" včasih uporablja za scenarij prihodnjega razvoja vesolja, po katerem se bo vesolje še naprej širilo v neskončnost v temo vesolja, dokler se ne spremeni v raztresen hladen prah..
